0.0 77937706 Calculo de Coordinacion de To

Coordinación de Aislamiento Querétaro

En este documento, se presenta los resultados del estudio de coordinación de aislamiento para la selección del nivel de aislamiento del equipo instalado en las S. E. de 115 kV del Proyecto Acueducto Querétaro II, con objeto de normalizar el diseño de acuerdo a los parámetros y consideraciones adicionales utilizados en el estudio y los datos de los dispositivos de protección seleccionados.

De acuerdo con la norma IEC 60071-2: 1996, el cálculo del nivel de aislamiento consta de 4 pasos fundamentales:

Cálculo de tensiones y sobretensiones representativas del sistema (Urp).Cálculo de tensiones soportadas de coordinación (Ucw).Cálculo de la tensión soportada específica (Urw).Elección de las tensiones soportadas normalizadas (Uw).

Se presentan dos casos, el primero corresponde al estudio considerando los descargadores de sobretensión Siemens, a la entrada de las líneas de transmisión, mientras que el segundo caso corresponde al estudio considerando el descargador Ohio Brass ubicado en la entrada de los transformadores de potencia.

CASO 1: Descargador de Sobretensión SIEMENS

Se asumirán los siguientes datos básicos:

- Tensión más alta del sistema (Us): 123,0 kV- Altitud a la que se encuentra el sistema (H): 2000 msnm

1. PASO 1: Cálculo de las tensiones y sobretensiones representativas Urp

1.1Urp para sobrevoltajes temporales

Para el cálculo de sobretensiones temporales se pueden considerar las fallas a tierra. Para lo cual se hace uso de un factor de falla a tierra k=1,4.

Obteniendo entonces: Urp (f-t) =99,4 Kv

También considerando el rechazo de carga, se pueden calcular las sobretensiones temporales fase-fase y fase-tierra. De acuerdo con IEC 60071-2, se puede presentar una sobretensión de 1,4 p.u. que para el presente cálculo sería:

Urp (f-t) = 99,4 kVUrp (f-f) = 172,2 kV

Debido a que se tienen dos sobretensiones temporales para fase-tierra, se escoge la mayor, los resultados son:

- Sobretensión temporal fase-tierra (Urp): 99,4 kV- Sobretensión temporal fase-fase (Urp): 172,2 kV

-

1.2. Urp para sobrevoltajes de frente lento

Para determinar los sobrevoltajes representativos es necesario hacer una distinción entre los equipos que se encuentran en la línea de entrada, los cuales prácticamente serían los que se encuentran antes del primer seccionador para tener en cuenta una energización o re-energización; y el resto de equipos, que se encuentran al final del sistema, los cuales son sometidos a distintas sobretensiones.1.2.1. Equipos en la línea de entrada

Los sobrevoltajes representativos para los equipos en la línea de entrada, teniendo en cuenta valores de los factores Ue2 de 3,0 p.u. y Up2 de 4,5 p.u. de acuerdo a IEC 60071-2, donde:

Ue2 corresponde al valor del sobrevoltaje fase-tierra con una probabilidad del 2% de ser excedido.Up2 corresponde al valor del sobrevoltaje fase-fase con una probabilidad del 2% de ser excedido

Teniendo los factores anteriores, se calculan las sobretensiones Uet y Upt de acuerdo con las siguientes ecuaciones:

Donde:Uet corresponde al valor de truncamiento del sobrevoltaje fase-tierraUot corresponde al valor de truncamiento del sobrevoltaje fase-fase

Siendo así:

Uet (p.u) = 3,5 Uet (kV) = 352 kVUpt (p.u) = 5,195 Uep (kV) = 522 kV

1.2.1. Resto de equipos

Debido a que sobre estos equipos existe un menor impacto, se toman valores para Ue2 de 1,9 p.u. y para Up2 de 2,9 p.u. Por lo tanto:

Uet (p.u.) = 2,125 Uet (kV) =213 kVUpt (p.u.)=3,195 Upt (kV) =321 kV

Ahora bien, para controlar los posibles sobrevoltajes originados de la re-energización remota, son instalados los descargadores de sobretensión en la línea de entrada. Para este caso se escogieron unos descargadores con los siguientes niveles de protección:

- Nivel de protección a impulso de maniobra (Ups): 198 kV- Nivel de protección a impulso atmosférico (Upl): 230 kV

Al ser seleccionados los descargadores de sobretensión, la sobretensión representativa temporal para frente lento está dada por el nivel de protección a impulso de maniobra Ups de dicho descargador, para fase-tierra, y para fase-fase es dos veces ese valor (2Ups).

- Sobretensión frente lento fase-tierra (Urp): 198 kV- Sobretensión frente lento fase-fase (Urp):

- Para cualquier equipo: 321 kV- Para equipos en la línea de entrada: 396 kV

2. PASO 2: Cálculo de tensiones soportadas de coordinación (Ucw)

2.1. Sobrevoltajes temporales

En este caso, las tensiones soportadas de coordinación son las mismas que para las sobretensiones representativas, siendo así:

- Sobretensión temporal fase-tierra (Ucw): 99,4 kV- Sobretensión temporal fase-fase (Ucw): 172,2 kV

2.2. Sobretensiones de frente lento

Se realiza la aproximación determinística dada en 60071-2, en la cual se tienen en cuenta los valores del descargador de sobretensión. Asignando un factor de coordinación Kcd que depende de los valores Ups y Ue2, antes calculados y relacionados en la figura 6 de la norma IEC 60071-2, se pueden calcular los valores de Ucw como se indica a continuación:

Para equipos en la línea de entrada:

- Fase-Tierra:Ups/Ue2 =0,66 Kcd= 1,10

- Fase-Fase: 2 Ups/Ue2=0,88 Kcd= 1,01

Para otros equipos:

- Fase-Tierra:Ups/Ue2 =1,04 Kcd= 1,04

- Fase-Fase: 2 Ups/Ue2=1,36 Kcd= 1,00

Los resultados de multiplicar Kcd x Urp:


- Sobretensión de frente lento fase-tierra (Ucw): 217,8 kV- Sobretensión de frente lento fase-fase (Ucw): 400,0 kV

Para otros equipos:

- Sobretensión de frente lento fase-tierra (Ucw): 205,9 kV

- Sobretensión de frente lento fase-fase (Ucw): 320,9 kV

2.3. Sobretensiones de frente rápido

Se realiza una aproximación estadística propuesta en IEC 60071-2, en la cual se tiene en cuenta el nivel de protección del descargador de sobretensión a impulso atmosférico (Upl) y la distancia a la cual se encuentran los equipos del descargador.

Aplicando la formulación de la norma IEC 60071-2, Anexo F:

(1)

Donde: L: Distancia de separación [m]A: Factor que describe el comportamiento de la línea de transmisión en

la subestación ante un rayo. n: Mínimo número de líneas aéreas conectadas. Lsp : Vano típico de la línea aérea. La: Sección de la línea que produce un número de salidas igual a la tasa

de falla aceptable, La= Ra/ Rkm [m]Donde:Ra: Indice de fallas [fallas/año]= 1/300 añoRkm: Tasa de fallas aceptable = 1/100 km-año

Por lo tanto, La = 333 m

A: Este valor es de 4500 kV para una línea con conductor simple de acuerdo a la tabla F.2 de la norma IEC 60071-2

n: 2Lsp: 50 m

Para efectos del cálculo de la sobretensión de frente rápido, aislamiento externo:L= Le = Distancia entre el descargador de sobretensión y el equipo a proteger con aislamiento externo = Le = 30 m

Para efectos del cálculo de la sobretensión de frente rápido, aislamiento interno:L= Li = Distancia entre el descargador de sobretensión y el equipo a proteger con aislamiento interno = Le = 20 m

Reemplazando los valores correspondientes en la expresión (1), obtenemos:

- Sobretensión de frente rapido aislamiento interno (Ucw): 347,4 kV- Sobretensión de frente rápido aislamiento externo (Ucw): 406,1 kV

Para este caso no se divide en fase-fase y fase-tierra, ya que afecta de igual forma a ambos.

3. PASO 3: Cálculo de la tensión soportada espefífica (Urw)

La tensión soportada específica se estima aplicando el factor de seguridad Ks, el cual es:

- Para aislamiento interno: Ks = 1,15- Para aislamiento externo: Ks = 1,05

Para los equipos con aislamiento externo también se aplica un factor de corrección atmosférico Ka que se calcula con la siguiente ecuación:

Donde:- m = 0,5 para frecuencia industrial, con aislamientos con polución. - m = 1,0 para impulso atmosférico- m por la figura 9 de IEC 60071-2, para impulso a maniobra


Para este caso m=0,5, entonces Ka es: 1,131

Para aislamiento externo:- Sobretensión temporal fase-tierra (Urw): 118 kV- Sobretensión temporal fase-fase (Urw): 204 kV

Para aislamiento interno:- Sobretensión temporal fase-tierra (Urw): 114 kV- Sobretensión temporal fase-fase (Urw): 198 kV


Debido a que m depende del voltaje Ucw, calculado anteriormente. A continuación se muestran los valores correspondientes para el caso fase-tierra y fase-fase:

-Sobrevoltaje fase-tierra (Ucw): 217,8 kV, donde m= 1,000-Sobrevoltaje fase-fase (Ucw): 400,0 kV, donde m= 1,000

Ahora se puede calcular el factor por altitud:- Factor por altitud fase-tierra (Ka): 1,278- Factor por altitud fase-fase (Ka): 1,278

Por lo tanto:Para equipos en la línea de entrada:

Para aislamiento externo:- Sobretensión temporal fase-tierra (Urw): 292,3 kV

- Sobretensión temporal fase-tierra (Urw): 536,8 kV

Para el resto de equipos:Para aislamiento externo- Sobretensión temporal fase-tierra (Urw): 276,4 kV- Sobretensión temporal fase-fase (Urw): 430,6 kV

Para aislamiento interno:- Sobretensión temporal fase-tierra (Urw): 236,8 kV- Sobretensión temporal fase-fase (Urw): 369,0 kV


Para este caso m=0,5, por lo tanto, Ka es: 1,278

Siendo así:Para aislamiento externo:

- Sobretensión temporal fase-tierra (Urw): 545 kV- Sobretensión temporal fase-fase (Urw): 545 kV


4. PASO EXTRA: Conversión a voltajes de frecuencia industrial (SDW) y (LIW)

Para esta conversión se hace uso de la tabla 2 de la norma IEC 60071-2, la cual presenta factores de conversión para pruebas del aislamiento externo e interno:

Se selecciona un aislamiento externo húmedo y aislamiento interno sumergido en líquido. Siendo así, seobtienen los siguiente voltajes:

4.1. Conversión a tensión soportada a frecuencia industrial (SDW)

Para equipos en la línea de entrada:- Aislamiento externo:

-Fase-Tierra SDW= 185 kV-Fase-Fase SDW= 345 kV

Para otros equipos:- Aislamiento externo:


- Aislamiento interno:-Fase-Tierra SDW= 118 kV-Fase-Fase SDW= 185 kV

4.2. Conversión a tensión soportada a impulso atmosférico (LIW)

Para equipos en la línea de entrada:- Aislamiento externo:

-Fase-Tierra LIW= 321 kV-Fase-Fase LIW= 596 kV

Para otros equipos:- Aislamiento externo:


- Aislamiento interno:-Fase-Tierra LIW= 260 kV-Fase-Fase LIW= 406 kV

5. PASO 4: Elección de las tensiones soportadas normalizadas (Uw).

De acuerdo con los anteriores resultados, se normalizan las sobretensiones y los niveles soportados, parallegar a los siguientes resultados:

- Para aislamiento externo:- Nivel de aislamiento a impulso atmosférico: 550 kV- Nivel de aislamiento a frecuencia industrial: 230 kV

- Para aislamiento interno:- Nivel de aislamiento a impulso atmosférico: 450 kV- Nivel de aislamiento a frecuencia industrial: 230 kV

Manteniendo unas distancias mínimas para un nivel de aislamiento a impulso atmosférico de:

CASO 2: Descargador de Sobretensión Ohio Brass

Se asumirán los siguientes datos básicos:

- Tensión más alta del sistema (Us): 123,0 kV

- Altitud a la que se encuentra el sistema (H):2000

msnm

1. PASO 1: Cálculo de las tensiones y sobretensiones representativas Urp

1.1. Urp para sobrevoltajes temporales

Para el cálculo de sobretensiones temporales se pueden considerar las fallas a tierra. Para lo cual sehace uso de un factor de falla a tierra k=1,4.

Obteniendo entonces :

Urp (f-t) = 99,4 kV

También considerando el rechazo de carga, se pueden calcular las sobretensiones temporales fase-fasey fase-tierra. De acuerdo con IEC 60071-2, se puede presentar una sobretensión de 1,4 p.u. que para elpresente cálculo sería:

Urp (f-t) = 99,4 kVUrp (f-f) = 172,2 kV

Debido a que se tienen dos sobretensiones temporales para fase-tierra, se escoge la mayor, siendo asíen resumen los resultados son:

- Sobretensión temporal fase-tierra (Urp): 99,4 kV- Sobretensión temporal fase-fase (Urp): 172,2 kV

1.2. Urp para sobrevoltajes de frente lento

Para determinar los sobrevoltajes representativos es necesario hacer una distinción entre los equiposque se encuentran en la línea de entrada, los cuales prácticamente serían los que se encuentran antes delprimer seccionador, para tener en cuenta una energización o re-energización. Y el resto de equipos, que se encuentran al final del sistema, los cuales son sometidos a distintas sobretensiones.

1.2.1. Equipos en la línea de entrada

Los sobrevoltajes representativos para los equipos en la línea de entrada, teniendo en cuenta unos factores Ue2 de 3,0 p.u. y Up2 de 4,5 p.u. de acuerdo a IEC 60071-2.

Teniendo los factores anteriores, se calculan las sobretensiones Uet y Upt de acuerdo con las siguientesecuaciones:

Siendo así:

Uet (p.u.) = 3,500 Uet (kV) =

352 kV

Upt (p.u.)= 5,195 Upt (kV) =

522 kV

1.2.1. Resto de equipos

Debido a que sobre estos equipos existe un menor impacto, se toman valores para Ue2 de 1,9 p.u. y paraUp2 de 2,9 p.u. Siento así:

Uet (p.u.) = 2,125 Uet (kV) =

213 kV

Upt (p.u.)= 3,195 Upt (kV) =

321 kV

Ahora bien, para controlar los posibles sobrevoltajes originados de la re-energización remota, soninstalados los descargadores de sobretensión en la línea de entrada. Para este caso se escogieron unosdescargadores con los siguientes niveles de protección:

- Nivel de protección a impulso de maniobra (Ups): 198 kV- Nivel de protección a impulso atmosférico (Upl): 230 kV

Al ser seleccionados los descargadores de sobretensión, la sobretensión representativa temporal parafrente lento está dada por el nivel de protección a impulso de maniobra Ups de dicho descargador, parafase-tierra, y para fase-fase viene dado por dos veces ese valor Ups.

Siendo así:

- Sobretensión frente lento fase-tierra (Urp): 198 kV

- Sobretensión frente lento fase-fase (Urp):- Para cualquier equipo: 321 kV- Para equipos en la línea de entrada: 396 kV

2. PASO 2: Cálculo de tensiones soportadas de coordinación (Ucw)


En este caso, las tensiones soportadas de coordinación son las mismas que para las sobretensionesrepresentativas, siendo así:

- Sobretensión temporal fase-tierra (Ucw): 99,4 kV- Sobretensión temporal fase-fase (Ucw): 172,2 kV


Se realiza la aproximación determinística dad en 60071-2. En la cual se tienen en cuenta los valores deldescargador de sobretensión. Asignando un factor de coordinación Kcd que depende de Ups y Ue2,calculados anteriormente y relacionados en la figura 6 de IEC 60071-2.

De esta forma se pueden calcular los valores de Ucw, como sigue a continuación:


- Fase-Tierra:Ups/Ue2

= 0,66 ,entonces Kcd= 1,10- Fase-Fase:

2 Ups/Ue2= 0,88 ,entonces Kcd= 1,01

Para otros equipos:

- Fase-Tierra:Ups/Ue2

= 1,04 ,entonces Kcd= 1,04- Fase-Fase:

2 Ups/Ue2= 1,36 ,entonces Kcd= 1,00

Los resultados entonces, de multiplicar Kcd x Urp:



Para otros equipos:



Se realiza una aproximación estadística propuesta en IEC 60071-2, en la cual se tiene en cuenta el nivel de protección del descargador de sobretensión a impulso atmosférico (Upl) y la distancia a la cual se encuentran los equipos del descargador.

Aplicando la formulación de la norma IEC 60071-2, Anexo F:

(1)

Donde: L: Distancia de separación [m]A: Factor que describe el comportamiento de la línea de transmisión en la

subestación ante un rayo. n: Mínimo número de líneas aéreas conectadas. Lsp : Vano típico de la línea aérea. La: Sección de la línea que produce un número de salidas igual a la tasa de

falla aceptable, La= Ra/ Rkm [m]Donde:Ra: Indice de fallas [fallas/año]= 1/300 añoRkm: Tasa de fallas aceptable = 1/100 km-año

Por lo tanto, La = 333 m

A: Este valor es de 4500 kV para una línea con conductor simple de acuerdo a la tabla F.2 de la norma IEC 60071-2

n: 2Lsp: 50 m

Para efectos del cálculo de la sobretensión de frente rápido, aislamiento externo:L= Le = Distancia entre el descargador de sobretensión y el equipo a proteger con aislamiento externo = Le = 30 m

Para efectos del cálculo de la sobretensión de frente rápido, aislamiento interno:L= Li = Distancia entre el descargador de sobretensión y el equipo a proteger con aislamiento interno = Le = 20 m

Reemplazando los valores correspondientes en la expresión (1), obtenemos:

- Sobretensión de frente rapido aislamiento interno (Ucw): 347,4 kV- Sobretensión de frente rápido aislamiento externo (Ucw): 406,1 kV

Para este caso no se divide en fase-fase y fase-tierra, ya que afecta de igual forma a ambos.

3. PASO 3: Cálculo de la tensión soportada espefífica (Urw)

La tensión soportada específica es hallada aplicando el factor de seguridad Ks, el cual es:

- Para aislamiento interno: Ks = 1,15- Para aislamiento externo: Ks = 1,05

Para los equipos con aislamiento externo también se les aplica un factor de correcciónatmosférico Ka que se calcula con la siguiente ecuación:

Donde se utiliza:

- m = 0,5 para frecuencia industrial, con aislamientos con polución. - m = 1,0 para impulso atmosférico- m por la figura 9 de IEC 60071-2, para impulso a maniobra







Debido a que m depende del voltaje Ucw, calculado anteriormente. A continuación

se muestran los valores correspondientes para el caso fase-tierra y fase-fase:

-Sobrevoltaje fase-tierra (Ucw): 217,8 kV, donde m=

1,000

-Sobrevoltaje fase-fase (Ucw): 400,0 kV, donde m=

1,000

Ahora se puede calcular el factor por altitud:

- Factor por altitud fase-tierra (Ka): 1,278- Factor por altitud fase-fase (Ka): 1,278

Siendo así:

Para equipos en la línea de entrada:Para aislamiento externo:

- Sobretensión temporal fase-tierra (Urw): 292,3 kV- Sobretensión temporal fase-fase (Urw): 536,8 kV

Para el resto de equipos:

Para aislamiento externo:- Sobretensión temporal fase-tierra (Urw): 276,4 kV- Sobretensión temporal fase-fase (Urw): 430,6 kV

Para aislamiento interno:- Sobretensión temporal fase-tierra (Urw): 236,8 kV- Sobretensión temporal fase-fase (Urw): 369,0 kV






4. PASO EXTRA: Conversión a voltajes de frecuencia industrial (SDW) y

(LIW)

Para esta conversión se hace uso de la tabla 2 de la norma IEC 60071-2, la cual presenta factores de conversión para pruebas del aislamiento externo e interno:

Se selecciona un aislamiento externo húmedo y aislamiento interno sumergido en líquido. Siendo así, seobtienen los siguiente voltajes:

4.1. Conversión a tensión soportada a frecuencia industrial (SDW)

Para equipos en la línea de entrada:- Aislamiento

externo:-Fase-Tierra SDW= 185 kV-Fase-Fase SDW= 345 kV

Para otros equipos:- Aislamiento

externo:-Fase-Tierra SDW= 175 kV-Fase-Fase SDW= 273 kV

- Aislamiento interno:


4.2. Conversión a tensión soportada a impulso atmosférico (LIW)

Para equipos en la línea de entrada:- Aislamiento

externo:-Fase-Tierra LIW= 321 kV

-Fase-Fase LIW= 596 kV

Para otros equipos:- Aislamiento

externo:-Fase-Tierra LIW= 303 kV-Fase-Fase LIW= 473 kV

- Aislamiento interno:


5. PASO 4: Elección de las tensiones soportadas normalizadas (Uw).

De acuerdo con los anteriores resultados, se normalizan las sobretensiones y los niveles soportados, parallegar a los siguientes resultados:



Manteniendo unas distancias mínimas para un nivel de aislamiento a impulso atmosférico de: 650 kV

Se puede concluir que los niveles de tensión a seleccionar en base a los valores normalizados establecidos son:



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